TÉCICA DE MAPEAMETO DAS CODIÇÕES DE ESCOAMETO SUPERFICIAL EM BACIAS HIDROGRÁFICAS URBAAS Dener Toledo Mathias – Unesp Rio Claro – email: [email protected] Cenira Maria Lupinacci da Cunha – Unesp Rio Claro – email: [email protected]
Resumo
Este artigo objetiva apresentar um roteiro para o mapeamento das condições de escoamento superficial em bacias hidrográficas urbanas. O estudo se desenvolve sob enfoque sistêmico e tem como técnicas o uso de ferramentas de mapeamento em ambiente SIG. Têm-se como premissa que o planejamento urbano e ambiental deve ser norteado pelo conhecimento dos atributos físicos inerentes à unidade representada pela bacia hidrográfica. Dentre tais atributos destaca-se o comportamento das águas de escoamento superficial o qual, no contexto da expansão urbana, deve ser considerado a fim de que os sistemas de drenagem urbana sejam projetados em compatibilidade com as características ambientais, evitando com isso impactos tanto no entorno das cidades como na área urbana propriamente. O mapeamento em questão foi aplicado à bacia do córrego Tucunzinho (São Pedro – SP) tendo gerado resultados importantes para o diagnóstico físico da área, demonstrando que a referida técnica pode servir de instrumento útil na análise ambiental e no planejamento urbano.
Introdução
Dentre as alterações ambientais decorrentes da urbanização destacam-se aquelas vinculadas ao comportamento da água no processo de escoamento superficial. A impermeabilização promovida pelo crescimento do meio urbano resulta em conseqüente aumento do volume e velocidade do escoamento superficial e pode ser apontada como o foco de grande parte dos problemas ambientais em países de clima tropical, uma vez que tem implicações na dinamização de processos erosivos, na manutenção do lençol freático, além de antecipar e aumentar os picos de cheias.
Um planejamento urbano que leve em consideração os atributos ambientais deve buscar uma maior compatibilização entre o sistema físico e o sistema antrópico, visando com isso minimizar possíveis danos à paisagem e riscos às populações. Para tanto os estudos do meio físico constituem um instrumental necessário, fornecendo subsídios indispensáveis à concepção de medidas estruturais compatíveis com as características físico-ambientais. A análise dos aspectos hidrogeomorfológicos constitui-se um procedimento de grande valia nesse contexto, sobretudo ao entendimento das condições do escoamento superficial em áreas já urbanizadas.
Assim, este trabalho tem por objetivo apresentar os procedimentos necessários para o mapeamento das condições do escoamento superficial em bacias hidrográficas urbanas. A técnica em questão foi empregada por vários pesquisadores, entre os quais se destacam Fontes (2009) e Barbosa (2010), cujos trabalhos apresentam resultados úteis para a avaliação das características hidrogeomorfológicas em áreas urbanizadas. O
roteiro técnico contido neste artigo oferece, portanto, os princípios para elaboração do referido mapeamento, os quais poderão servir de subsídio a trabalhos desenvolvidos dentro da temática ambiental.
Drenagem urbana, planejamento e sustentabilidade
Sendo a expansão dos aglomerados urbanos um processo inevitável dado o crescimento das populações, torna-se necessário que a urbanização ocorrente se faça mediante um planejamento que leve em consideração os fatores ambientais, visando com isso reduzir custos, proporcionar um melhor aproveitamento das áreas, evitar riscos e promover a harmonia. Mota (2003) defende que o planejamento assim realizado buscará o equilíbrio entre os sistemas físico, biótico e antrópico, considerando-os de forma integrada.
Embora em termos de planejamento se conheçam as bases para a concepção de projetos adequados à situação física de cada área, o que se verifica em geral é a falta de uma preocupação mais elementar em termos ambientais. As intervenções que marcam a expansão urbana desfiguram a paisagem resultando muitas vezes em impactos do meio físico, os quais podem conduzir a riscos às populações.
São marcantes as alterações hidrológicas advindas do processo de urbanização nas bacias hidrográficas, uma vez que tal processo culmina com a impermeabilização de grandes áreas, reduzindo a infiltração das águas da chuva. Ab´Saber (1968) ressalta a atuação do escoamento superficial na elaboração de formas erosivas, uma vez que, a partir da ação antrópica, passam a ser concentrados. Os efeitos da concentração do fluxo pluvial serão ainda mais expressivos se os sistemas de captação e condução da água favorecerem o rápido escoamento. Assim, haverá, segundo Cunha & Guerra (2009), em relação às condições anteriores à urbanização: a elevação do pico de descargas; o aumento do volume de escoamento superficial; a diminuição do tempo necessário para que o escoamento superficial alcance o curso d’água; o aumento da freqüência e magnitude dos alagamentos; dentre outros efeitos.
Nesse sentido, cabe ressaltar que o paradigma da sustentabilidade emerge como princípio norteador das decisões de planejamento. A idéia de sustentabilidade baseia-se na busca de uma relação entre sistemas econômicos e ecológicos orientada pelos requisitos de que a vida humana possa evoluir, as culturas possam se desenvolver, e de que os efeitos das atividades humanas permaneçam dentro dos limites que impeçam a destruição da diversidade e da complexidade do contexto ambiental. (Salamoni & Gerardi, 2001).
Destacam-se na literatura os trabalhos de Moretti (1986), Mota (2003) e Mascaró (2003) que apresentam uma série de premissas visando orientar os projetos de loteamento no que tange ao desenho da malha urbana. Para os autores o traçado das vias de circulação e arruamentos deve ser concebido de forma mais harmoniosa possível com os fatores topográficos a fim de orientar o fluxo do escoamento, promovendo o disciplinamento da água. Outro fator assinalado refere-se à geometria hidráulica do sítio, em que se encontram “complúvios”, áreas onde o escoamento tende a se concentrar, e “displúvios”, onde tende a se dispersar (MOTA, 2003). Identificando o comportamento dos fluxos pluviais é possível estabelecer os melhores setores do relevo para a instalação das vias de circulação. Com relação ao gradiente clinográfico, o autor salienta que os traçados longitudinais em relação à vertente devem ser priorizados, evitando o aumento da velocidade do escoamento pluvial.
Em relação aos dispositivos de drenagem compensatórios para o meio urbano, Baptista et al (2005) apresentam contribuição relevante indicando as principais técnicas que podem ser aplicadas com a finalidade de disciplinar o escoamento pluvial. Ressalta-se que os sistemas de drenagem urbana convencionais tendem a buscar a rápida evacuação da água pluvial dos setores urbanos. Disso resultam as altas concentrações que vem a afetar os setores de várzea durante eventos chuvosos. Sob a ótica da sustentabilidade objetiva-se manter a água do escoamento o mais próximo das condições pré-ocupação, favorecendo a manutenção da infiltração e retenção da água no sistema. Assim, são apontados pelos autores mencionados, sistemas como bacias de detenção e/ou retenção, bem como trincheiras de infiltração e áreas verdes promovendo tal organização da drenagem urbana.
Outro aspecto importante no planejamento sustentável refere-se aos setores do relevo no que tange ao seu uso em termos de densidade de ocupação considerando-se as características hidrogeomorfológicas. Barbosa et al (2009) tomando a vertente como unidade de análise, apresenta um seccionamento do relevo, associando para cada setor identificado segundo os atributos físico-ambientais, um modelo de ocupação apropriado, de forma a garantir a redução do volume de escoamento superficial e a manutenção da infiltração.
Os diferentes aspectos supramencionados colaboram para que o planejamento urbano possa ser efetuado em consonância com as premissas da sustentabilidade. A fim de que a drenagem urbana possa ser planejada de acordo com tal perspectiva é de vital importância entender o comportamento do escoamento superficial mediante técnicas de mapeamento que auxiliem a
análise hidrogeomorfológica, sobretudo no contexto de bacias hidrográficas urbanas. Tais análises podem gerar subsídios a duas situações no âmbito do planejamento:
• Em projetos de loteamentos auxiliando na concepção de sistemas de microdrenagem urbana adequados às condições hidrológicas da bacia, bem como na alocação de sistemas compensatórios em drenagem urbana, tais como bacias de detenção;
• Em áreas urbanas já consolidadas que apresentam problemas decorrentes da ausência de um planejamento adequado, auxiliando na projeção de obras de manutenção dos sistemas de drenagem existentes e na concepção de outras obras de caráter corretivo.
Tendo como base tais considerações, a técnica de mapeamento das condições do escoamento superficial apresentada neste artigo constitui uma ferramenta de grande utilidade ao planejamento urbano.
Roteiro técnico para elaboração da Carta de Fluxo Acumulado
A técnica empregada para o mapeamento das condições do escoamento superficial no presente trabalho teve como base a proposta apresentada por Fontes (2009), fundamentada nos procedimentos apontados por Schauble (2004) e resulta na elaboração da Carta de Fluxo Acumulado. O método utilizado é denominado “fluxo múltiplo”, também descrito como “fluxo acumulado” e calcula as áreas de contribuição ou áreas drenadas à montante da bacia com base no parâmetro declividade que é uma das principais variáveis-controle na determinação de zonas de saturação. Através deste método é possível gerar uma espacialização das áreas de contribuição que corresponde à tendência do percurso do escoamento em condições naturais. Para a geração do referido documento cartográfico é necessário obter uma base cartográfica da área com escala compatível aos objetivos de análise do trabalho. A base deve conter os layers correspondentes à topografia (curvas de nível, pontos cotados), à drenagem e ao limite da área, podendo ser concebida em ambiente SIG ou em CAD, levando-se em consideração seu georreferenciamento. Para o desenho em CAD torna-se necessária a criação de arquivos shape, cuja conversão se dá por meio do SIG ArcGIS 9.2. Neste trabalho são indicados os procedimentos necessários para elaboração da Carta de Fluxo Acumulado através do software ArcGIS 9.2 em interface com ArcView 3.2, já considerando a base topográfica inserida no primeiro.
Algumas bacias hidrográficas em meio urbano são marcadas por intervenções que requerem um detalhamento específico para a elaboração da carta em questão. Dentre tais intervenções
destaca-se a rede de microdrenagem, o qual pode se caracterizar pela presença de galerias pluviais conduzindo o fluxo do escoamento em sub-superfície. Em tais casos, torna-se necessário delimitar setores distintos da bacia em função desses equipamentos, o que muitas vezes resulta na individualização de áreas de drenagem dentro da bacia. A obtenção da Carta de Fluxo Acumulado então se processa em partes, no qual os procedimentos devem ser realizados sobre cada setor separadamente. Ao final monta-se o mosaico para a bacia em sua totalidade, utilizando-se os parâmetros de georreferenciamento para tanto.
Tendo a base topográfica da área conforme as especificações sugeridas (para a bacia em sua totalidade, ou quando necessário, para cada setor delimitado em função das características da microdrenagem urbana) procede-se à elaboração de um Modelo Digital de Elevação (MDE), que deve ser concebido com uma resolução em escala de detalhe. Para tanto, utiliza-se a ferramenta Topo to raster, componente do Spatial Analyst do software ArcGIS 9.2, que tem como atributo a interpolação de diversos dados da superfície, tais como as curvas de nível, pontos cotados, cursos d’água, bacias de detenção e limite da área, gerando uma superfície de relevo com o máximo detalhamento possível.
Um erro comum que se pode apresentar na geração do MDE refere-se à direção das linhas de drenagem sejam essas os caminhos do escoamento traçados em função da microdrenagem urbana ou os cursos fluviais. A fim de evitar este tipo de problema, recomenda-se a verificação de cada segmento que compõe a rede de drenagem antes da execução da ferramenta Topo to raster. Isso pode ser feito por meio da ferramenta de edição simples do ArcGIS 9.2, clicando-se duas vezes sobre cada segmento e verificando sua direção, assinalada por um ponto de cor diferente situado à jusante. Caso tal ponto esteja situado à montante, deve-se clicar com o botão direito do mouse e escolher a opção “flip”, e automaticamente o segmento se inverte. Em geral tal procedimento se torna necessário para aqueles shapes cujo desenho original tenha sido concebido em ambiente CAD.
Gerando-se o MDE de acordo com o procedimento já citado, deve-se exportar o arquivo gerado em formato grid, salvando-o em uma pasta localizada na raiz do computador (C:); quanto a isso, ressalta-se que é necessária essa localização do arquivo a fim de realizar os passos subseqüentes. Deve-se atentar à resolução espacial do arquivo de forma que as células pixel estejam em escala compatível com o nível de detalhamento pretendido. Por exemplo, em escala de 1:2000, células de 2x2m apresentam uma resolução satisfatória. Recomenda-se a geração de mais de um MDE em diferentes resoluções a fim de testá-los até que se obtenha o resultado esperado.
Em seguida, o arquivo grid é inserido no software ArcView 3.2, que deve ser provido da componente Spatial Analyst e da ferramenta Hydrotools. A primeira irá carregar o arquivo (e
somente o fará se o mesmo estiver localizado em uma pasta na raiz “C:” do computador) e a segunda realiza as operações relativas à geração da carta propriamente. Dentre alguns comandos que a ferramenta possui, utiliza-se “Preparation”, cuja finalidade é a correção do MDE. No contexto dessa funcionalidade encontram-se “Flow direction” e “DEM corretion”, que devem ser respectivamente utilizados, sendo que o resultado do primeiro deve ser processado pelo segundo gerando um arquivo temporário denominado “corretion of [nome da bacia]”. A seguir abre-se a funcionalidade “Hydrology” e dentre uma série de operações que se apresentam seleciona-se “Flow accumulation”, no qual se insere o arquivo de correção já referido, clicando-se no espaço correspondente a “direction”. Outras definições devem clicando-ser deixadas na opção “None” e, por fim, define-se o algorítimo “MD – Multiple Flow” e então basta processar clicando-se em “calculate”.
A opção pelo Método de Fluxo Múltiplo (SCHAUBLE, 2004) difere dos outros métodos existentes no sentido de que “a área de contribuição é calculada em função da distribuição proporcional do escoamento do fluxo entre todas as células à jusante de uma célula central” (FONTES, 2009, p. 150). Têm-se, portanto, que a fração do fluxo distribuída para cada célula à jusante é proporcional ao produto entre a área de contribuição medida e um fator de peso geométrico, que se trata da fração, em cada célula, entre o valor da declividade da célula e a soma das declividades de todas as células à jusante. O cálculo se repete em todas as células da matriz de jusante para montante (FONTES, 2009).
As classes geradas pelo programa se apresentam com valores em pixel, devendo ser convertidas em m² para a legenda (multiplicam-se os valores da legenda pela medida da área de cada célula). Isso se faz a depender da escala de trabalho e da resolução espacial do modelo digital, por exemplo, uma matriz com resolução de 10x10 m terá como unidade representativa o valor de 100 m². Em geral torna-se necessária a redefinição das classes geradas automaticamente pelo programa, visando uma representação visual mais adequada aos objetivos do trabalho. Sugere-se que Sugere-sejam testados diferentes intervalos de clasSugere-se, o que pode Sugere-ser feito clicando-Sugere-se duas vezes sobre o theme referente ao resultado final e selecionando-se manualmente o número de intervalos e seus valores correspondentes. As cores para representação também podem ser definidas em diversas escalas que são apresentadas pelo programa. É importante que o produto final gerado represente com a máxima fidelidade os setores de maior acumulação do fluxo do escoamento.
A partir dos procedimentos referidos obtém-se um documento cartográfico de grande valia na análise do comportamento do escoamento superficial na bacia, o que pode fornecer subsídios importantes para o planejamento urbano e ambiental.
O mapeamento das condições de escoamento superficial foi aplicado na bacia do córrego Tucunzinho (São Pedro – SP) com a finalidade analisar o comportamento hidrológico da bacia face aos elementos urbanos. A escolha da área deve-se ao fato de apresentar inúmeros problemas de erosão linear acelerada, cuja dinamização encontra-se associada entre outros fatores às intervenções antrópicas ocorrentes na bacia (figura 01).
Fig. 01 – Vista aérea da voçoroca do córrego Tucunzinho – São Pedro (SP)
Dentre os atributos físicos que se verificam na área destacam-se a ocorrência de litologias sedimentares, predominando arenitos da Formação Pirambóia e Formação Botucatu, bem como solos a estas associados, tais como Argissolos e Neossolos Quartzarênicos. Tais aspectos denotam uma suscetibilidade natural ao desenvolvimento de processos erosivos, os quais se aliam a outros atributos naturais, como a morfometria do relevo, a morfoestrutura e, sobretudo o clima, este atuando como força motriz. Inseridos neste contexto encontram-se as interferências antrópicas na paisagem, atuando em diferentes escalas espaciais e temporais no uso da terra e com isso dinamizando a ação erosiva (SANCHEZ, 1971; CARPI, 1996; MATHIAS, 2008). As características mais marcantes na fisionomia da paisagem da bacia são a alta taxa de urbanização (65% de acordo com MATHIAS, 2011) e a ocorrência de uma expressiva voçoroca posicionada na periferia da área urbana, apresentando inúmeras formas de retrabalhamento ao longo de seu rebordo e interior. Tal forma erosiva encontra-se envolvida por bairros cuja rede de microdrenagem tem atuado como potencializadora na dinâmica que se processa na área, concentrando o fluxo do escoamento superficial que é conduzido por meio de galerias até emissários posicionados na baixa bacia. O fluxo pluvial atinge o talvegue do córrego com expressivo volume de pico e velocidade, contribuindo na ação regressiva da erosão. A figura 02 apresenta um recorte representando o setor da bacia onde se encontram as formas erosivas
ativas, acrescido de dados acerca do meio urbano e dos sistemas de microdrenagem mencionados.
Fig. 02 – Baixa bacia do córrego Tucunzinho – topografia e drenagem
O mapeamento das condições de escoamento superficial da bacia foi realizado de acordo com os procedimentos já referidos. Objetivando um resultado coerente com as características do terreno observadas in loco, procedeu-se a uma série de ajustes na base topográfica da área, a qual foi acrescida dos traçados da rede de microdrenagem urbana (sarjetas, galerias e junções), que representam os caminhos preferenciais da água do escoamento. Devido às peculiaridades da drenagem urbana na área, dentre as quais se destacam a ocorrência de bacias de detenção e galerias pluviais, cujo traçado se dá paralelo aos taludes erosivos, foi necessária a compartimentação da bacia em setores atentando para a área de contribuição de cada um e seu exutório. Tal procedimento foi considerado de suma importância uma vez que o escoamento pluvial na bacia encontra-se “disciplinado” pelos equipamentos mencionados, conforme pode ser identificado na figura 03.
Fig. 03 – Compartimentação da área em setores e elementos da rede de microdrenagem. Foram gerados arquivos grid correspondentes à aplicação do Método de Fluxo Múltiplo para cada setor delimitado da bacia, os quais foram unidos no software ArcGIS 9.2 automaticamente, uma vez que se encontravam devidamente georreferenciados. Como resultado foi obtida a Carta de Fluxo Acumulado da bacia do córrego Tucunzinho.
A fim de se obter uma representação dos dados condizente com os objetivos de análise do trabalho foram testadas visualmente diferentes reclassificações a partir das classes definidas automaticamente pelo programa. A área total da bacia do córrego Tucunzinho é de 946330 m², assim, foram considerados 7 intervalos de 0 a 20000 m² e mais um intervalo correspondente aos valores acima de 20000 m², os quais apresentaram a menor ocorrência, embora o intervalo abrangesse valores bem mais elevados que os demais (por exemplo, no setor 1 o referido intervalo de classe tinha valores de 20000 m² a 53960 m²). A classificação em 8 intervalos foi a que apresentou melhor resultado, no qual se tornam nítidos os pontos de acumulação, ou concentração, do escoamento que já haviam sido reconhecidos em campo.
Análises e Resultados
O comportamento do escoamento superficial é representado pela Carta de Fluxo Acumulado da bacia do córrego Tucunzinho (figura 04), cuja análise permite que sejam levantadas importantes considerações.
Fig. 04 – Carta de Fluxo Acumulado da bacia do córrego Tucunzinho – São Pedro (SP) Conforme já destacado anteriormente, a bacia do córrego Tucunzinho caracteriza-se por uma alta taxa de urbanização, cujo efeito em termos hidrológicos é o aumento do volume do escoamento superficial motivado pela impermeabilização. Tal escoamento tende a seguir o curso natural da topografia, concentrando-se nas principais
concavidades das vertentes. Entretanto observa-se a imposição de um comportamento comandado pelo desenho da malha urbana, e conseqüentemente, acompanhado pelas estruturas de microdrenagem. Nesse sentido considera-se a divisão da área em setores um procedimento imprescindível, pois cada setor individualizado apresenta características próprias que são resultantes da combinação entre o comportamento natural da água do escoamento e a imposição das estruturas urbanas.
Destaca-se primeiramente um dos setores que compõe a alta bacia o qual têm seu escoamento direcionado para uma ampla área livre que funciona como bacia de detenção. Em seguida podem ser notados os setores que representam a área de contribuição das águas coletadas por meio de galerias pluviais, que seguem sob as terras adjacentes à voçoroca até emissários localizados na baixa bacia. Tais setores ocupam a maior parte da área e tem sua drenagem orientada para galerias que seguem margeando a voçoroca em ambos os lados, sendo aquela posicionada a SW da voçoroca responsável pela condução do fluxo dos setores de maior área. Na porção SW da baixa bacia encontram-se dois outros setores separados dos demais, os quais têm seu escoamento orientado para dentro do setor adjacente à voçoroca, formando outras duas bacias de detenção. Por fim, o setor em que se encontra a voçoroca e seus entornos é representado também separado do restante.
A área assim setorizada, com alguns setores não possuindo ligação aparente do escoamento entre si (como é o caso das áreas onde há bacias de detenção), denota fatos relevantes para a compreensão dos processos atuantes na bacia, como por exemplo, o fato de grande parte desse escoamento ser concentrado em redes de galerias pluviais e terem seu exutório localizado nas porções mais baixas da bacia. Por essa razão identificam-se pontos onde a concentração do escoamento é posicionada no meio da vertente, sem ligação aparente com o córrego. Nesses pontos o escoamento passa a ser conduzido por galerias subterrâneas, as quais não são representadas na mencionada carta.
Os pontos de maior concentração identificados na Carta de Fluxo Acumulado são aqueles que do ponto de vista da urbanização requerem maior atenção. A concepção de medidas estruturais compensatórias para a drenagem urbana, bem como a manutenção das estruturas já existentes na área, pode ser orientada a partir dos dados obtidos na análise da referida carta, o que vem a corroborar sua importância no contexto dos problemas sócio-ambientais ocorrentes na bacia do córrego Tucunzinho.
O fluxo de escoamento superficial em bacias urbanizadas, a exemplo do caso analisado neste trabalho, é conduzido de forma concentrada, condicionado por estruturas de microdrenagem que favorecem sua rápida evacuação, o que resulta em uma série de impactos. Na área estudada os impactos referentes à dinamização erosiva encontram-se entre os mais severos. A forma como estruturas de drenagem urbana são planejadas nem sempre considera o comportamento natural da água no contexto topográfico da bacia. Além disso, em situações de grande alteração dos atributos físicos originais, em que se acrescentam outras complexidades ao comportamento do escoamento superficial, tais equipamentos mostram-se geralmente inadequados.
O mapeamento das condições de escoamento em bacias urbanas mostra-se como uma ferramenta que, aliada às demais existentes, acrescenta dados de grande valia ao entendimento das características hidrogeomorfológicas dessas áreas. A técnica apresentada neste trabalho gerou dados importantes para o caso da bacia do córrego Tucunzinho, cujos problemas sócio-ambientais tendem a se agravar caso não sejam tomadas medidas eficazes visando a sua resolução. Considera-se, portanto, que a referida técnica pode ser amplamente útil à análise ambiental e ao planejamento. Bibliografia
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